高中物理 1.6《受迫振动共振》素材 粤教版选修3-4

用心 爱心 专心 共振的应用和防止共振的应用和防止 任何物体产生振动后 由于其本身的构成 大小 形状等物理特性 原先以多种频率开 始的振动 渐渐会固定在某一频率上振动 这个频率叫该物体的固有频率 当人们从外界再 给这个物体加上一个振动 称为策动 时 如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同 物体振动的振幅达到最大 这种现象叫共振 物体产生共振时 由于它能从外界的策动源处 取得最多的能量 往往会产生一些意想不到的结果 共振的危害及防止共振的危害及防止 190 多年前 拿破仑率领法国军队横扫欧洲 不可一世 当法军铁蹄越过西班牙边境而 长驱直入时 部队要行军经过昂热市一座 102 米长的铁链悬桥 随着军官雄壮的口号 队伍 跨着整齐的步伐浩浩荡荡地开向对岸 只听轰隆一声巨响 大桥坍塌 士兵 军官们还来不 及退去便纷纷坠入河水里 造成 226 人丧生 桥梁突然断裂 究其原因是共振造成的 因为大队士兵踏步踏的频率正好与大桥的固有 频率一致 使桥的振动加强 当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时 桥就断了 类 似的事件还发生在俄国和美国等地 鉴于成队士兵踏步踏过桥时容易造成桥的共振 所以后 来各国都规定大队人马过桥 要便步通过 唐朝开元年间 洛阳有个和尚 他的房间内挂着一口磬 常敲磬解烦 有一天 和尚没 有敲磬 磬却自动响起来了 这使他大为惊奇 终于惊扰成疾 他的一位好朋友曹绍夔是宫 廷的乐令 精通音律 即通晓声学理论 闻讯前来探望和尚 经过一番观察 他发现每当寺 院里的钟响起来时 和尚房里的磬也跟着响了 于是曹绍夔拿出刀来把磬磨去几处 从此以 后就不再自鸣了 他告诉和尚 这磬的音律 即固有频率 和寺院钟的音律一致 敲钟时由于 共振 磬也就响了 将磬磨去几处就是改变它的音律 这样就不会引起共鸣 和尚恍然大悟 病也随之痊愈了 登山运动员登山时严禁大声喊叫 因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率 相吻合 就会因共振引起雪崩 其后果十分严重 人体是一个弹性体 各器官都有它的固有频率 当外来振动的频率与人体某器官的固有 频率一致时 会引起共振 因而对那个器官的影响也最大 人体固有的振动频率经科学研究 人脑是 8 12Hz 内脏器官为 4 18Hz 在外来振动的不断激发下 人脑和内脏器官的振动 频率与外来振动频率相近或相同 吸收外来振动的能量而共振 轻者能使人产生头晕 烦躁 耳鸣 恶心 如果强度大 就能使人的心脏及其内脏剧烈抖动 狂跳 以致血管破裂 使人 死亡 在日常生活中 人们常受到外界振动的影响 如车船的颠簸 机械的振动和噪音的影响 等 当这些恰好在人体固有的振动频率范围内时 对火的影响就比较大 使你晕车 晕船 甚至头痛 呕吐 因此 跟振动源十分接近的操作人员 如拖拉机驾驶员 电锯等操作工 在工作时应尽量避免这些振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振 为了保障工人 的安全与健康 有关部门已做出相应规定 要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于 20Hz 共振的危害就在于 它并不需要强大的破坏力 而是能自动进行能量的积累 千 里之堤 溃于蚁穴 最终的结果是可怕的 要避免共振的灾害作用 就必须尽量增大振动 系统和可能的策动力频率之间的差距 使受迫振动被限制在极小振幅的范围内 共振的利用 小时候喜欢玩 荡秋千 有的人掌握了荡秋千的技巧 仅靠自己用力便能将秋千越荡 越高 当玩者的策动力频率与秋千自由振动的固有频率相同时 秋千的摆角会越来越大 这 是共振在荡秋千上的应用 在建筑工地上 我们经常可以看到 建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时 为了提高 用心 爱心 专心 质量 总是一边灌混凝土 一边用电振泵进行振动 使混凝土之间因振动的作用而变得更紧 密 更结实 像粉碎机 测振仪 电振泵等 这些都是利用共振原理工作的 当今高度的物质文明 使家用电器进入了千家万户 微波炉也开始在许多家庭使用 为 什么微波炉在加热食品时食品内外能同时升温 原来微波炉中的磁控管产生 915MHz 或 2450MHz 的微波 即一种超高频率交变电磁场 它经波导传送出去 再经风扇搅拌器把它反 射到炉腔各处 食物是吸收微波的一种介质 而且食物分子的振动频率跟微波的电磁场频率 相同或相近 大量分子就在食物中原来位置的附近剧烈振动而摩擦出大量的热 使食物内外 介质的温度同时升高 食物很快被烤熟 这是共振在家用电器中的应用 2000 年 中国深圳博爱医院率先开展了一种全新的减肥方式 体外超声共振吸脂法 并获得了巨大的成功 体外超声共振吸脂术是指采用共振原理 在电脑模糊程序控制下 产 生和脂肪细胞固有频率相同的共振波 这种共振波选择性地破碎脂肪细胞 使其呈液态 而 不与皮肤 血管及神经组织发生共振 因而不损伤这些组织 与其他吸脂术相比 共振吸脂 在有效保护神经及血管的同时 利用负压吸除皮下已经液化的脂肪细胞 安全 快捷和有效 的改善体型 达到健美的目的 炎热的午间 蝉儿发出的 知了 知了 声 宁静的夜晚 蟋蟀发出的 叽一嘶 声 还有不知疲倦的大肚子蝈蝈的鸣叫声 尽管这些昆虫的声调大不相同 但其中的共同之处都 是借助了共振的原理 靠摩擦身体的某一部位与空气产生共鸣而发声 共振还能充当地球生物的保护神 我们知道 紫外线是太阳发出的一种射线 如果它们 大举入侵地球 人类及各种生物势必遭受极大的危害 过量的紫外线会使生物的机能遭到严 重的破坏 不过 不用担心 我们有大气层中的臭氧层 是它们借助于共振的威力 阻止了 紫外线的长驱直入 当紫外线经过大气层时 臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振 而吸收了大部分的紫外线 所以 共振能使大气中的臭氧层变得如防晒油一样 保证我们不 至于被射线伤害 另外 共振还能使地球维持在适当的温度 给地球生命创造出一个冷热适宜的生长环 境 因为地球发出的红外线 又恰好能和二氧化碳产生共振 然后被 挽留 在大气层中 使大气层保持一定的温度 让万物在温暖和煦的环境中孕育成长 俗话说 万物生长靠太阳 其实也可以这么说 万物生长靠共振 因为我们所熟知的 植物的光合作用 是叶绿素与某些可见光的共振 吸收阳光后 从而产生氧气与养分 没有 共振 植物便不能生长 人类和许多动物也就失去了食物的来源 所以说 没有共振 地球 上的生命便不能长期生存 总之 在需要利用共振时 应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率 在需要 防止共振时 应使驱动力的频率跟振动物体的固有频率不同 而且相差越大越好 小实验 受迫振动小实验 受迫振动 取一根直径为 2 绝米的镀锌铁丝 弯成直径为 15 厘米的大圆环 并将圆环接头处用 锡焊牢 并用砂纸磨光焊缝 制成如图所示的光滑铁丝环 实验成功的关键是肥皂液的配制 取一干净的 500ML 烧杯 分别倒入角售洗洁精 蒸馏水和纯净甘油各占 1 3 容积 将其缓慢地搅拌均匀 避免皂液乳化或产生过多气泡 将配制的皂液倒入内径大于 15 厘米的浅盆内 用上述洁净的光滑铁丝环浸没于皂液中 手指环柄 将圆环稍稍倾斜地轻轻抽出皂液 这时可观察到圆环上形成一张亮晶晶的肥 皂膜 然后缓